中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

电鳗式人造发电器官研制成功,可为人体佩戴的电子设备供电

2017-12-21

一种受电鳗启发研制而成的灵活且透明的电源,可以用来为身体佩戴的电子设备供电,比如心脏起搏器、植入式传感器甚至假肢器官。

研究人员在12月13日出版的《自然》杂志上描述了这种电源的原型——其在盐和水的溶液中运行,但研究人员希望未来的版本能够从体液中获得能量。

“我们的人造发电器官有很多传统电池没有的特征。”Thomas Schroeder说。他是美国安阿伯市密歇根大学的一名化学工程师,同时也是这项研究的联合负责人之一。Schroeder说,除了其理想的物理特性外,“它并没有潜在的毒性,同时可在潜在的可再生电解质溶液中运行”。

为了设计一种不会引起生物排斥的电源,Schroeder和他的同事从刀鱼或电鳗中获得了灵感,这些鱼类可以通过发出高达600伏特的电荷来保护自己,同时捕捉猎物。

电鳗会利用被称为发电细胞的特殊细胞来产生这些强大的电流。发电细胞存在于电鳗身体的大部分区域。这些细胞内的电解质浓度变化产生了一种携带电荷的离子流。虽然每个单独的细胞只产生很小的电压,但电鳗有成千上万个串联在一起的发电细胞,从而将所有的电压都累加在一起。

Schroeder的研究小组用由聚丙烯酰胺和水组成的4种不同的水凝胶,模拟了发电细胞的解剖结构,然后将大约2500个这样的单元组合在一起。

这个合成系统产生了110伏特的电位差。但是它的总输出功率比电鳗所能达到的水平要小2到3个数量级,这是因为电鳗的发电细胞更薄,因此电阻也更小。

Schroeder指出,从理论上讲,人造电池所产生的能量足以运行现有的超低功率设备,包括一些心脏起搏器和植入式传感器。但研究小组认为,应该有可能大幅度提高系统的性能,例如通过让水凝胶膜更薄以减少它们的电阻。

电鳗利用能量代谢来维持发电细胞之间的电解质浓度差异。Schroeder希望他们最终也能模仿这一能力。他说:“可以想象,我们有一天可能会采用将体内不同的液体接入我们的人造发电器官这样的方案。”

Markus Buehler是剑桥市麻省理工学院的材料科学家和工程师,他对该团队的设计印象深刻。Buehler说,这是“超越传统思维的令人兴奋的进步”。“我预计在不久的将来会开发这种新技术。”

电鳗是裸背电鳗科的鳗形南美鱼类,能产生足以将人击昏的电流,是放电能力最强的淡水鱼类,输出的电压可达300~800伏特,因此电鳗有水中的“高压线”之称。它不是真正的鳗类,而与鲇形目的种类近缘。世界上已知的发电鱼类达数十种,其他会放电的鱼类还有电鲇、电鳐等。

电鳗分布于南美洲亚马逊流域的圭亚那地区,多在浅水的池沼或水体较混浊的岸边活动,体型很大,是原产地着名的食用鱼。其高超的放电本领使其成为十分出名的鱼类,可作为水族馆中的展示鱼或观赏鱼。

来源:科学网